Freitag, 10. Februar 2012

Deutsch-Österreichischer Laser nimmt Weltraumschrott ins Visier

Verteilung des Weltraummülls in niedrigen Erdumlaufbahnen (Illustration mit stark vergrößerter Darstellung der Partikel). | Copyright: NASA

Graz/ Österreich - Weltraumschrott, also Trümmer vom Start ehemaliger Satelliten, Raketen und Raumschiffe, stellen für die Raumfahrt ein stetig anwachsendes Problem und Sicherheitsrisiko dar. Schätzungen gehen davon aus, dass derzeit mehr als 600.000 Objekte mit einem Durchmesser von mehr als einem Zentimeter die Erde umkreisen (s. Abb). Deutsche und österreichische Wissenschaftler haben ein optisches Beobachtungssystem mit einem leistungsstarken Laser entwickelt, dessen Pulse auch Teilchen mit einem Durchmesser von nur wenigen Zentimetern erfassen und ihre Umlaufbahn vermessen kann. Jetzt wurde die Technologie an der Laserstation Graz erfolgreich getestet. In Zukunft könnte ein stärkerer Laser dann diese Teilchen auch von ihrer Bahn abbringen und zum Verglühen in die Erdatmosphäre wiedereintreten lassen.

Mit dem im All stationierten Laserstrahl gelang es den Forschern des Grazer Instituts für Weltraumforschung (IWF) an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mehr als 20 verschiedene Raketenteile in einer Entfernung von 500 bis 1800 Kilometern aufzuspüren und deren Entfernung zur Erde zu vermessen. "Damit haben wir die Bestätigung, dass unsere Idee funktioniert", erläutert Prof. Adolf Giesen, Leiter des DLR-Instituts für Technische Physik in Stuttgart.

Auch wenn lediglich Weltraumschrott in einer Größe von mehreren Metern vermessen wurde, sehen die Wissenschaftler in dem Experiment einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Entwicklung und zum Bau eines zukünftigen Systems zur Erfassung von Weltraumschrott. Dazu soll dann auch ein Laser mit einer höheren Pulsenergie gehören, der auch deutlich kleinere Teile im Weltall erfassen und vermessen kann.

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Die Notwendigkeit, auch Weltraumschrott in einer Größe von einem Zentimeter zu verfolgen und dessen Umlaufbahnen zu berechnen, nimmt mit jedem Jahr zu. Ausgediente Satelliten oder auch Raketenoberstufen kollidieren im All und zerschellen in immer kleinere Teile. Stoßen zwei Satelliten zusammen, wie im Februar 2009 Iridium 33 und Kosmos-2251, entsteht weiterer Weltraummüll. Bereits jetzt sind in Höhen von 800 bis 1400 Kilometern so viele größere und kleinere Teile im Umlauf, dass aktive Satelliten dabei Schaden nehmen könnten, erläutert die Pressemitteilung des DLR (dlr.de).

"Schon ein Teilchen mit einem Durchmesser von einem Zentimeter kann beim Auftreffen einen Satelliten komplett zerstören", erläutert DLR-Abteilungsleiter Wolfgang Riede. Immerhin kreist der Weltraumschrott mit einer Geschwindigkeit von etwa acht Kilometern in der Sekunde durchs All - bei Kollisionen von Objekten, die aus entgegengesetzter Richtung aufeinanderprallen, beträgt die Relativgeschwindigkeit häufig 14 Kilometer in der Sekunde. Ausweichmanöver sind dabei nur dann effektiv, wenn die Positionen des Schrotts möglichst exakt berechnet werden können. Die Beobachtung mit herkömmlichen Radarteleskopen kann dies nur bedingt leisten, und so werden teilweise unnötige Ausweichmanöver mit hohem Treibstoffverbrauch geflogen. Aber auch vermeidbare Kollisionen sind eine Folge von ungenauen Bahnbestimmungen, wenn - wie im Februar 2009 - notwendige Änderungen der Flugbahnen unterlassen werden.

Aus diesem Grund haben sich die Wissenschaftler ein ehrgeiziges Ziel gesetzt: Bis 2014 soll eine Sende- und Empfangseinheit und ein Laser, der pro Sekunde 1000 Pulse vom Boden ins Weltall schickt, das von Schrottteilchen reflektierte Licht mit größter Empfindlichkeit aufzuzeichnen. "Wir schicken hochintensive Laserpulse ins Weltall und zählen anschließend wirklich die einzelnen Photonen, die zurückkommen", erläutert Institutsleiter Giesen. Die Oberflächen der zerlegten Raketen oder Satelliten reichen von schwarz bis glänzend - und sind deshalb schwer zu erkennen. Zudem müssen die Wissenschaftler auch den störenden Einfluss der Atmosphäre berücksichtigen. Dennoch reicht diese geringe Anzahl Photonen den Wissenschaftlern bereits, um Entfernung, Richtung und Lage des Weltraumschrotts mit großer Genauigkeit zu berechnen. "Auf den Boden übertragen wäre diese Genauigkeit kaum vorstellbar: Man müsste dann mit dem zukünftigen Beobachtungssystem von Stuttgart aus erkennen können, welche Hand eine Person an der Ostsee hebt."

Nach dem Aufbau eines Katalogs, der möglichst viele dieser kleinen Schrottteilchen enthält und ihre jeweils aktuellen Positionen verzeichnet, könnte dann der nächste Schritt - hin zur Reduzierung des Weltraummülls - folgen. Eine Lösung könnte auch hier der Einsatz von extrem starken Lasern sein. Trifft der Laserstrahl auf ein Schrottteilchen, würde Material auf dessen Oberfläche verdampfen und dabei das Teilchen verlangsamen. Schon wenn die Geschwindigkeit um nur 200 Meter pro Sekunde sinkt, würde dieses Objekt in den nächsten Jahren langsam absinken und bei der Annäherung an die dichtere Atmosphäre verglühen. In etwa zehn Jahren, schätzt Giesen, könnte diese Methode erstmals zum Einsatz kommen. "Nach allen bisherigen Untersuchungen wäre das die einzige Möglichkeit, den Weltraummüll mit noch vertretbarem finanziellen und technischen Aufwand zu beseitigen“, erklärt der IWF-Mitarbeiter Georg Kirchner.

Würde die Anzahl der Schrottteilchen wie bislang zunehmen, so wäre in 20 bis 30 Jahren in den wichtigen erdnahen Bahnen Raumfahrt kaum noch möglich.

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Quellen: dlr.de / oeaw.ac.at / grenzwissenschaft-aktuell.de

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